這項挑戰是這樣開始的

2014年11月的一天早晨，我在噴氣推進實驗室（JPL，位於(yu) 美國加州帕薩迪納）的同事卡瑪爾·奧德瑞（Kamal Oudrhiri）突然闖入我的辦公室，提出了一個(ge) 誘人的建議。一顆全新的人造衛星正在朝火星進發。該衛星將搭載NASA的“洞察力”（InSight）火星著陸器，可在著陸器進入火星區域、降落並著陸時的關(guan) 鍵環節實時向地球傳(chuan) 回數據。奧德瑞解釋道：“我們(men) 必須達到每秒8千比特的傳(chuan) 輸速率，但功率有限，唯一的希望是采用大型天線，不過這顆衛星的體(ti) 積隻有公文包那麽(me) 大。”

這顆火星探測衛星被稱為(wei) 立方體(ti) 衛星（CubeSat），此前還沒有體(ti) 積如此小的衛星飛躍過近地軌道。其發射時，天線需要收起來，並且天線體(ti) 積隻有約830立方厘米。此後不久，天線展開，體(ti) 積達到衛星大小的3倍。經過1.6億(yi) 公裏的飛行後抵達火星，其間要經曆發射時的劇烈震蕩及外層空間的極端溫度。知道難度有多大了吧？

幸運的是，我和諸位同事熱愛挑戰，很高興(xing) 能有機會(hui) 把立方體(ti) 衛星技術推向極限。對從(cong) 事地球影像與(yu) 觀測的研究者及新興(xing) 公司而言，這些微型航天器已成為(wei) 最常用的飛船。與(yu) 傳(chuan) 統衛星相比，這些衛星造價(jia) 較為(wei) 低廉且體(ti) 積小，僅(jin) 重幾公斤，隻需要幾個(ge) 月的準備即可進行發射，而不像標準航天器那樣需要花費數年的時間進行準備。隨著時間的推移，得益於(yu) 摩爾定律在電子工業(ye) 領域的進展，立方體(ti) 衛星可搭載的傳(chuan) 感器和程序處理功能變得日益強大、精密，重量更輕，且高效節能。

但在通信方麵，立方體(ti) 衛星小巧的體(ti) 積卻是一個(ge) 不利因素。尤其是我們(men) 很難做到為(wei) 這些衛星配備足夠大的天線，來滿足高數據速率和高分辨率雷達。所以這些微型衛星隻能局限於(yu) 地球軌道，無法推進地球軌道之外的科學前沿探索。如果我們(men) 能找到某種方法，為(wei) 立方體(ti) 衛星配備強大的高增益天線，也就能開創眾(zhong) 多嶄新的研究和探索機遇。圍繞地球軌道的立方體(ti) 衛星最終將能進行基於(yu) 雷達的科學研究，如測量氣流及降水量。利用高數據速率天線，立方體(ti) 衛星將可以擴大探索疆域，去探索太陽係。

經過幾年的不懈努力，JPL天線研究小組最終用兩(liang) 種不同的方式解決(jue) 了這一難題。在一個(ge) 名為(wei) “立方體(ti) 衛星雷達”（Radarin a CubeSat，又稱RainCube）的項目中，我們(men) 設計了一種可展開的天線，衛星到達軌道後，這種天線會(hui) 像一把傘(san) 一樣展開。另一個(ge) 名為(wei) “火星立方體(ti) -1”（又叫作MarCO）的項目計劃於(yu) 今年5月份發射，我們(men) 創造了一種能在立方體(ti) 衛星表麵展開的平板天線。我們(men) 的成功促使NASA開始考慮通過這些微型平台來執行那些曾一度被認為(wei) 隻能通過大型傳(chuan) 統衛星才能執行的任務。我們(men) 的天線技術已獲得專(zhuan) 利並授權給了數個(ge) 商業(ye) 太空公司。下麵將詳述我們(men) 如何完成了這項在許多人看來難比登天的工程壯舉(ju) ，以及在此過程中所獲得的認識。

立方體(ti) 衛星並不是唯一的微型衛星，但這類衛星的適應性最強，也受到了廣泛關(guan) 注。其基本構件是邊長僅(jin) 為(wei) 10厘米的立方體(ti) ，重量最多為(wei) 1公斤出頭。這些“一個(ge) 單元”（1U）的立方體(ti) 能按需接合在一起；常見變體(ti) 由3個(ge) 、6個(ge) 或12個(ge) 立方體(ti) 構成。

美國斯坦福大學和加州理工州立大學的工程師們(men) 於(yu) 1999年首次研發了立方體(ti) 衛星，作為(wei) 一種幫助學生親(qin) 自動手設計、製造、發射並操作衛星的方式。自那以後，各種各樣的立方體(ti) 衛星子係統投入使用，並成為(wei) 專(zhuan) 業(ye) 任務的通用工具。

首先，這類衛星能被迅速安裝。在JPL,從(cong) 開始規劃到完成設計、組裝和測試，我們(men) 僅(jin) 用時10至12個(ge) 月，而對更大型的、模塊較少的航天器而言，這一過程卻需要3年甚至更長的時間。

當然，重達數千公斤的傳(chuan) 統衛星能承載比微型立方體(ti) 衛星更多的儀(yi) 器。但對於(yu) 有特定目的的任務，立方體(ti) 衛星是一種經濟實惠並頗具吸引力的選擇。而且，發射立方體(ti) 衛星群能提升航天器的時間分辨率，相較於(yu) 大型航天器，對同一區域的遙感更加頻繁。在我們(men) 新型天線的幫助下，利用RainCube和MarCo執行各種任務不僅(jin) 是可行的，而且非常明智。

顧名思義(yi) ，創建RainCube的目的是觀測天氣。它的雷達能幫助NASA研究降水量並改進天氣預報的模式。科學家們(men) 計劃發射一係列此類衛星，以此獲得的時間分辨率比單獨一顆大型衛星所能提供的更高。

這類微型雷達裝置的體(ti) 積僅(jin) 相當於(yu) 一個(ge) 麥片盒的大小（按立方體(ti) 衛星的說法是6U）。這個(ge) 小盒須容納電源係統、計算機、控製係統及其他所有器件。就如同任意一個(ge) 麥片盒，這個(ge) 盒子也需要空間來盛放最重要的物品：雷達。RainCube的主要研究者伊娃•佩拉爾(Eva Peral)通過一係列有獨創性的工程設計，按數量級縮小並簡化了雷達裝置。然而，當其他器件裝入裝置後，仍僅(jin) 為(wei) 雷達及其天線留出了1/4的空間。

衛星將通過拋物麵天線發送和接收雷達信號。主拋物麵天線將會(hui) 把這些信號反射到一個(ge) 名為(wei) 子反射器的裝置中，該裝置將把這些信號傳(chuan) 送至“喇叭天線”，再從(cong) 那裏傳(chuan) 輸至雷達電路係統中。在450至500千米的海拔高度上，RainCube的雷達將探測其所穿越過的雲(yun) 層，因此隻需一個(ge) 0.5米寬的天線即能獲得10千米寬的雷達覆蓋區域。然而，在展開之前，需要把天線折疊成一個(ge) 體(ti) 積為(wei) 10厘米×10厘米×15厘米的小方盒。雷達以35.75千兆赫的頻率運行，這意味著這個(ge) 反射器展開的精確度必須極高，形狀偏差不超過200微米。

很顯然，我們(men) 要克服一些棘手的設計挑戰。在經過激烈的頭腦風暴後，由喬(qiao) 納森•尚德（Jonathan Sauder）、馬克•湯姆森（Mark Thomson）、理查德•霍奇思（Richard Hodges）、 葉海亞(ya) •拉赫馬特-薩米（Yahya Rahmat-Sami）以及我本人組成的RainCube天線研究小組，選定了一種天線，這種天線的工作原理就好像把傘(san) 裝入盒子裏一樣。在限定了可利用體(ti) 積的條件下，這種方法是最簡單的解決(jue) 方案。

當傘(san) 打開時，傘(san) 骨向外伸展，直至傘(san) 麵被拉緊。RainCube的天線以同樣的方式進行工作：在展開時，一係列傘(san) 骨把天線拉成適合發送和接收信號的形狀。傘(san) 骨的數量決(jue) 定了這一形狀的精密度和準確度。如果我們(men) 僅(jin) 使用3根（絕對最小值）傘(san) 骨，就能形成一個(ge) 三麵的金字塔形；雖然理論上，大量的傘(san) 骨能夠形成精準的天線拋物麵，但是添加更多的傘(san) 骨也增大了展開時出錯的可能性。

我們(men) 最終確定Raincube傘(san) 骨的最佳數量是30根。這一數量能提供足夠精確的拋物麵，同時將展開失敗的風險降至最低。為(wei) 了進一步提高雷達天線係統的整體(ti) 精確度，工程師們(men) 設計了副反射器來反映30根傘(san) 骨組成的天線的形狀，包括與(yu) 理想狀態的微小偏差以及聚焦雷達的精確性。副反射器的調諧使雷達的效能提高了6%，進而使雷達的信噪比改進了12%。

需要重新考慮的不僅(jin) 僅(jin) 是天線的模型。在可展開的結構中，通常將喇叭天線嵌入衛星主體(ti) ，從(cong) 而得到射頻信號。但是在RainCube使用的Ka頻段，電纜會(hui) 損耗過多的信號。因此JPL的工程師們(men) 設計了一種由空心金屬管組成的波導管，信號可通過該金屬管傳(chuan) 播，該波導管是固定的，天線的其他部分則沿著它滑行並展開。

RainCube的傘(san) 狀設計很巧妙，但空間環境是對機電係統的一大挑戰。在發射過程中，天線要經受發射過程中的劇烈振動以及所在軌道的巨大溫度變化——當立方體(ti) 衛星進出地球陰影時，通常內(nei) 部組件的溫差為(wei) -20°C至85°C。在太空中，即使是一個(ge) 小組件的故障也能導致整個(ge) 任務的失敗，NASA工程師們(men) 非常清楚這一點。

RainCube的天線與(yu) 伽利略探測器上由18根傘(san) 骨組成的高增益天線具有明顯的相似之處，而伽利略探測器天線於(yu) 1991年展開失敗了。但我們(men) 的RainCube天線具有一大優(you) 勢。不同於(yu) 伽利略探測器上4.8米寬的天線，RainCube的天線很小，可以在真空室內(nei) 進行測試，因此我們(men) 進行了各種情況下的試驗。實際上，在第一次振動試驗後，其中一根傘(san) 骨未能展開，研究小組通過跟蹤一條彈簧發現了設計缺陷。我們(men) 重新設計該部件之後，天線順利通過所有測試，現已準備好發射，最早可在今年5月份進行。成功發射將成為(wei) 具有分水嶺意義(yi) 的重大事件，為(wei) 所有搭載科學實驗的立方體(ti) 衛星進入地球軌道開辟道路。

很難想象，像立方體(ti) 衛星一樣微小且複雜的裝置能在茫茫的星際空間遨遊。盡管如此，我們(men) 仍期望如公文包大小的兩(liang) 個(ge) 立方體(ti) 衛星能在今年擔當此任。孿生MarCO衛星將於(yu) 2018年5月搭載NASA的“洞察力”著陸器升空，成為(wei) 首批進入太空深部的此類衛星。孿生立方體(ti) 衛星將於(yu) 11月份到達火星，將幫助著陸器與(yu) 地球上的NASA外層空間網絡之間進行實時通信，並與(yu) 自2006年開始在軌運行的火星勘測軌道器（MRO）一起運行。

MarCO立方體(ti) 衛星通過使用超高頻環形天線，可接收“洞察力”著陸器在登陸、降落和著陸時的數據。每個(ge) 衛星的軟件定義(yi) 無線電將通過頻率更高的X波段穿越1.6億(yi) 公裏的星際空間把數據發送回地球，由深空網絡天線（每個(ge) 天線寬70米）接收。考慮到立方體(ti) 衛星無線電有限的射頻輸出功率，這類微型衛星的天線需要33.5厘米×60厘米的孔徑，才能建立以8千比特/秒傳(chuan) 輸的無線電線路。

理想的情況是，MarCO立方體(ti) 衛星具備同RainCube一樣的拋物麵天線，但卻沒有容納空間。研究小組隻能使用航天器有效載荷空間的4%，且載荷重量必須控製在1千克之內(nei) 。這還不夠，方案還要求我們(men) 僅(jin) 使用立方體(ti) 衛星的一邊。MarCO緊張的進度表——從(cong) 天線研製到在航天器上集成僅(jin) 有9個(ge) 月時間——意味著我們(men) 沒有足夠的時間設計定製元件。所以在可行的情況下，我們(men) 依靠現成的元件進行簡化設計。

我們(men) 創建了名為(wei) 反射陣列的平麵天線，包含一個(ge) 由3部分組成的控製麵板，從(cong) 航天器的一側(ce) 翻動出來，並在彈簧鉸鏈的推動下打開。隨著控製麵板自航天器的主體(ti) 彈出，天線的喇叭也會(hui) 伸出，圍繞著連接器轉動。天線的平坦表麵上分布著反射圖案，可以仿照拋物麵天線的方式，朝著地球的方向集中信號。

MarCO發射時，很可能攜帶首批反射陣列進入深空。如果該項任務成功，我們(men) 將會(hui) 看到更多的立方體(ti) 衛星發揮類似作用。例如，現在來自火星探測器和著陸器的數據隻能通過MRO這類比較大的航天器轉發回地球。未來的立方體(ti) 衛星將能進入火星軌道，以更低的成本協助轉發這些數據。

RainCube和MarCO使用的天線除了用於(yu) 特定任務外，還能發揮更多作用。實際上，我們(men) 的研究小組已根據同樣的原理研發了更大型的可展開天線。下一步的“一米反射陣”（OMERA）天線是一個(ge) 邊長為(wei) 1米的正方形反射陣列。我們(men) 相信這類天線可用於(yu) 太空通信以及類似RainCube且分辨率更高的軌道器。

對立方體(ti) 衛星和其他小型衛星而言，這是一個(ge) 令人興(xing) 奮的時代，未來還將會(hui) 取得更多進展。NASA計劃取代航天飛機的首飛——“探索任務1”，將搭載13個(ge) 立方體(ti) 衛星。一些立方體(ti) 衛星將探訪月球，另一些則飛向深空，但所有這些微型航天器都將有一個(ge) 共同特點：能夠支持大科學研究的小型天線。